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DISEO DE UNA SECUENCIA DIDCTICA QUE FAVOREZCA AL PROCESO DE

ENSEANZA-APRENDIZAJE-EVALUACIN DEL CONCEPTO MODELO ATMICO

Y LA INTERPRETACIN DE LA NATURALEZA DISCONTINUA Y CORPUSCULAR

DE LA MATERIA

CSAR AUGUSTO GUTERREZ

CODIGO: 0336802

PLAN:

Licenciatura en Educacin Bsica con nfasis en Ciencias Naturales y Educacin

Ambiental (3468)

UNIVERSIDAD DEL VALLE

INSTITUTO DE EDUCACIN Y PEDAGOGA

SANTIAGO DE CALI

2011

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DISEO DE UNA SECUENCIA DIDCTICA QUE FAVOREZCA AL PROCESO DE

ENSEANZA-APRENDIZAJE-EVALUACIN DEL CONCEPTO MODELO ATMICO

Y LA INTERPRETACIN DE LA NATURALEZA DISCONTINUA Y CORPUSCULAR

DE LA MATERIA

CSAR AUGUSTO GUTERREZ

CODIGO: 0336802

Trabajo de Grado realizado para optar al ttulo de

LICENCIATURA EN EDUCACIN BSICA CON NFASIS EN CIENCIAS

NATURALES Y EDUCACIN AMBIENTAL

Luz Adriana Rengifo Gallego

Directora de Trabajo de Grado:

UNIVERSIDAD DEL VALLE

INSTITUTO DE EDUCACIN Y PEDAGOGA

SANTIAGO DE CALI

2011

5

DEDICATORIA

A la vida, por brindarme razones de existencia, situaciones de aprendizaje,

experiencia y el conocimiento y la sabidura para reconocerme como ser humano en

el mbito acadmico y personal.

A mi familia, por cuidar de m, por formarme y permitirme ser lo que soy como

persona y darme una motivacin ms para vivir.

A mi situacin ms especial y mi corta historia infinita, porque le brinda a mis

sueos, deseos y propsitos razones para alcanzar ese concepto utpico de la

felicidad en aquella historia nica y especial que quiero vivir por siempre.

A mis seres queridos que han partido, por haberme acompaado en vida, por

dejar impresiones lindas de lo que soy y permitirme reconocer cada detalle de la

vida, por hacerme protagonista de mi existencia y por mostrarme que cada situacin

vivida puede ser la ltima oportunidad para demostrar lo importante y nicos que

somos.

A mis amigos, compaeros y cada una de las personas que de una u otra forma

han pasado por mi vida dejando su huella en mi historia mental y emocional, en la

cronologa de mi existencia.

C.A.G.S.

6

AGRADECIMIENTOS

El autor expresa sus agradecimientos a:

La Universidad del Valle por su formacin humana, acadmica y beneficios

estudiantiles.

A la profesora Luz Adriana Rengifo Gallego por su motivacin, confianza,

acompaamiento, orientacin, apoyo y conocimiento durante la realizacin de este

Trabajo de Grado.

Al profesor Henry Giovanni Cabrera

Al profesor Robinson Vifara por su compromiso, consejo y objetividad como director

de plan.

A todos los profesores del rea de Ciencias Naturales del Instituto de Educacin y

Pedagoga que desde el ao 2003 hasta el ao 2011, aportaron sus enseanzas

pertinentes, las cuales fueron de gran ayuda en la realizacin de este trabajo y mi

formacin profesional.

A todos los profesores de la Universidad que contribuyeron para mi formacin

humana y acadmica.

A mis compaeros y amigos: Liliana Rodrguez, Bettsy Godoy, Jos Luis Martnez,

Fabin Gmez, Paola Caldern, Liseth Carmona, Gloria Ortiz, Tatiana Ortiz Paola

Janamejoy, Viviana Pez, Ana C. Beltrn, Elizabeth Paz, Flix Barbosa y el resto que

se me pasan por alto, por ser pacientes, por ayudarme a seguir adelante con alegra

y apoyo, adems de compartir las angustias, aventuras y gratificaciones durante

estos aos de estudio.

7

Nota de aceptacin

___________________________

___________________________

___________________________

___________

_______________________

Firma del evaluador

_______________________

Firma del Director del Trabajo de

Investigacin

_______________________

Firma del Director del Plan

Santiago de Cali, Agosto de 2011

8

TABLA DE CONTENIDO

Pg.

RESUMEN.

INTRODUCCIN. 10

1. JUSTIFICACIN. 12

2. ANTECEDENTES. 15

3. IDENTIFICACIN DEL PROBLEMA. 20

4. MARCO TERICO. 23

4.1 LOS MODELOS: HACIA UNA APROXIMACIN CONCEPTUAL. 23

4.1.1 Clasificacin De Los Modelos. 24

4.2 LOS MODELOS ATMICOS: UNA DESCRIPCIN Y ANLISIS

HISTRICO DE SU EVOLUCIN

4.2.1 Thomson y el Pudn de Pasas: Descubriendo la Estructura y Dinmica de

los tomos.

4.2.2 Acerca de la historia interna de los tomos.

4.2.3 El Modelo Atmico de Rutherford: Un sistema Planetario de Electrones,

Orbitas y Ncleos Atmicos.

4.2.4 Problemas que present el modelo de Rutherford

4.2.5 La Formulacin de Bohr: Cuantizacin y Relatividad del Mundo Atmico

30 32

33

34

35

37

4.3 TEORA DEL APRENDIZAJE SIGNIFICATIVO: ELEMENTOS

CONCEPTUALES

38

4.3.1 Qu es la Teora del Aprendizaje Significativo? 39

4.3.2 Cules Son Los Conceptos-Clave De La Teora Del Aprendizaje

Significativo?

40

5. METODOLOGA

5.1 PROPSITOS

59 59

6. RESULTADOS 62

7. CONCLUSIONES 74

BIBLIOGRAFA 76

ANEXOS 82

9

LISTA DE TABLAS

Pg.

TABLA 1. DIFERENCIAS EN CMO SON ENTENDIDOS LOS MODELOS 29 POR LOS APRENDICES Y LOS EXPERTOS. TABLA 2. FASES DEL APRENDIZAJE SIGNIFICATIVO 43 TABLA 3 CARACTERSTICAS DE LAS SECUENCIAS DIDCTICAS 54 TABLA 4 SECUENCIA DIDCTICA PARA EL PROCESO DE ENSEAN- 66 ZA-APRENDIZAJE Y EVALUACIN DEL CONCEPTO MODELO ATMICO Y LA NATURALEZA DISCONTINUA Y CORPUSCULAR DE LA MATERIA

10

LISTA DE ANEXOS

PAG

ANEXO A: ACTIVIDADES DE LECTURA: El baln Invisible y el Punto Ciego 82

ANEXO B: ACTIVIDADES DE LECTURA: Biblioteca De La Materia 86

ANEXO C: ACTIVIDAD DE LA GALLETA (actividad experimental) 88

ANEXO D: MODELO DE LA CAJA NEGRA (actividad experimental) 90

ANEXO E: LO CONTINUO Y LO DESCONTINUO (actividad experimental) 92

ANEXO F: EXPERIMENTO DE DIFUSIN 94

ANEXO G: LECTURAS COMPLEMENTARIAS: Lecturas Complementarias de 96

Explicacin y Apropiacin de los Modelos Atmicos

ANEXO H: CUESTIONARIO DE APLICACIN 98

ANEXO I: CUESTIONARIO DE APLICACIN Y APROPIACIN DE 110

CONCEPTOS

11

RESUMEN

Este trabajo consiste en el diseo de una secuencia didctica (a partir de ahora SD)

que contribuya en el proceso de enseanza-aprendizaje-evaluacin del concepto

modelo atmico y la interpretacin de la naturaleza discontinua y corpuscular

de la materia. El diseo de la SD se realiz bajo una metodologa de tipo cualitativo

segn (Strauss y Coubin 1998), concretamente desde un estudio de caso, en el

sentido propuesto por Yin (1994) y se materializa en la organizacin de una serie

de actividades didcticas basadas en la teora constructivista del

aprendizaje significativo propuesta por David Ausubel. El diseo de esta

SD pretende los estudiantes desde sus grados bsicos de escolaridad (sexto y

sptimo) puedan identificar la relacin existente entre los fenmenos macroscpicos

y lo microscpico o imperceptible como el mundo atmico-molecular, a travs del

desarrollo de una serie de actividades en las que se retoman sus ideas previas sobre

la estructura de la materia, se favorece en la comprensin del concepto modelo

atmico para interpretar este tipo de fenmenos y consecuentemente la

interpretacin y comprensin del modelo discontinuo y corpuscular de la materia; de

esta forma la SD se presenta como una alternativa educativa que tiene en cuenta el

desarrollo cognitivo de los estudiantes, el nivel de abstraccin que se debe favorecer

para comprender este tipo de temticas, que permean distintas disciplinas cientficas

y permiten comprender la ciencia como una actividad humana que evoluciona en el

tiempo en bsqueda constante de un conocimiento ms exacto con el que se puedan

interpretar visiones alternativas de la realidad.

Palabras Clave: secuencias didcticas, proceso de enseanza-aprendizaje-

evaluacin, modelos cientficos, modelos didcticos, modelos atmicos,

modelizacin, naturaleza discontinua y corpuscular de la materia, aprendizaje

significativo.

12

INTRODUCCIN

Para el dominio de una realidad tcnica, econmica, o social contempornea, el uso

de modelos reviste una importancia fundamental. Las ciencias son constructoras y

manipuladoras de modelos. Ante esto se puede suponer que se le concede a la

modelizacin una importancia central en las actividades escolares. Sin embargo, en

la realidad de las clases y los textos, es la imposicin de un punto de vista y de un

modo de descripcin el que prevalece. Conceptos como tomo, enlace qumico,

equilibrio qumico, mecanismo de reaccin, entre otros, no son presentados como

modelos, es decir, representaciones construidas, calculables, simplificadas, sino

como la realidad directamente visible (Pozo 2002).

La naturaleza discontinua y corpuscular de la materia, y los modelos atmicos, son

temticas que resultan centrales en el contexto educativo de las ciencias naturales.

As, la enseanza del Modelo Cintico Molecular es uno de los primeros tpicos en

ser enseados en la escuela secundaria, ya que da cuenta tanto de una

multiplicidad de fenmenos sencillos de fsica y de qumica, como de

consideraciones atmico moleculares fundamentales en la publicacin de trabajos

cientficos (Fernndez Prini et al., 2005; Citado en Giudice y Galagovsky, 2008). El

contexto conceptual de la naturaleza de la materia es, adems, reiteradamente

enseado durante los aos escolares; sin embargo, a los estudiantes les resulta

difcil ver y comprender lo que sucede sub microscpicamente entre las partculas

de materia, al interior de estas y sus diversas caractersticas fisicoqumicas.

La literatura de investigacin en didctica de las ciencias muestra que los

estudiantes no comprenden fcilmente esta cuestin fundamental y, ms an,

detecta una enorme dificultad en lograr el pasaje conceptual desde la idea de

continuidad de la materia, hasta la formada por partculas en movimiento que se

interpreta desde los diferentes modelos atmicos (Driver, Guesne y Tiberguien,

1992; Espndola y Cappannini, 2006; Talanquer, 2006; Citado en Giudice y

Galagovsky 2008).

En estas condiciones, se puede comprender el fracaso sistemtico de los

estudiantes, quienes presentan enormes dificultades al unir los modelos presentados

con las situaciones reales de laboratorio o de la vida cotidiana y que no llegan a

aplicar estos como construcciones hipotticas y heursticas, sino como dogmas

definitivos y cerrados.

Desde estas perspectivas se pretende elaborar una secuencia didctica (SD) que

favorezca al proceso de enseanza, aprendizaje y evaluacin del concepto modelo

13

atmico y la interpretacin de la naturaleza corpuscular y discontinua de la materia,

puede ser desarrollada con los estudiantes de la educacin bsica secundaria en sus

grados iniciales de acuerdo a las acciones de pensamiento y estndares curriculares

de las ciencias naturales propuestos por el MEN; este trabajo se desarrolla bajo la

teora constructivista del aprendizaje significativo propuesta por David Ausubel, que

se sustenta bajo la referencia conceptual de la sicologa cognitiva que pretende dar

cuenta de los mecanismos por los que se lleva a cabo la adquisicin y la retencin de

los grandes cuerpos de significado que se manejan en la escuela y que se ocupa de

los procesos mismos que el individuo desarrolla para aprender, con lo cual recae el

nfasis en lo que ocurre en el aula cuando los estudiantes aprenden; en la

naturaleza de ese aprendizaje; en las condiciones que se requieren para que ste se

produzca, en sus resultados y, consecuentemente, en su evaluacin (Ausubel, 1976),

esta teora aborda todos y cada uno de los elementos, factores, condiciones y tipos

de procesos cognitivos que garantizan la adquisicin, la asimilacin y la retencin del

contenido que la escuela ofrece al estudiante, de modo que adquiera significado para

su interpretacin de la realidad y los fenmenos de su cotidianidad.

De este modo, se espera que el diseo de este trabajo favorezca en los estudiantes

este tipo de aprendizaje para la comprensin significativa del dominio conceptual de

la naturaleza de la materia, especficamente de los conceptos modelo atmico y la

interpretacin corpuscular y discontinua de la materia, Aspecto que se pretende

materializar en el mbito escolar a travs de una SD que favorece en la interaccin

del sujeto cognoscente y el objeto conocido en la construccin de un conocimiento

ms significativo, en el que se reconoce la actividad de produccin cientfica como

una actividad humana que evoluciona en el tiempo en bsqueda constante de un

conocimiento ms exacto que permite interpretar de manera ms cercana la realidad.

A continuacin se exponen los elementos del marco contextual de este trabajo y que

permite ubicar el problema tratado, a partir de la pregunta de investigacin, los

objetivos propuestos, la hiptesis de trabajo y las perspectivas tericas tenidas en

cuenta en los antecedentes de investigacin en cuanto a las dificultades de

enseanza-aprendizaje de la naturaleza discontinua y corpuscular de la materia y el

desarrollo metodolgico que dio paso finalmente a los resultados obtenidos en la

materializacin de la SD, y que se expresar como uno de los elementos que aportan

al mbito pedaggico y didctico de la enseanza de las ciencias.

14

1. JUSTIFICACIN

La investigacin en la didctica y enseanza de las ciencias muestra que el

conocimiento cotidiano con el que los estudiantes llegan a la escuela compite, la

mayora de las veces con ventaja, con el conocimiento cientfico que se intenta

transmitir a travs de ella. No encuentran la necesidad de recurrir a modelos ms

complejos cuando manejan otros ms simples, este aspecto adquiere mayor

relevancia en los fenmenos sub microscpicos referentes a la estructura de la

materia que se expresan en el campo de la qumica, ya que la realidad imperceptible

es mucho ms abstracta y compleja que la percepcin macroscpica de los

fenmenos que la materia expresa en la cotidianidad. Cambiar ese conocimiento

comn y las concepciones alternativas o ideas previas a las que da lugar

requiere algo ms que sustituir las ideas de los alumnos por otras cientficamente

ms aceptables, como tradicionalmente se ha intentado. Se hace necesario

modificar los principios, implcitos, con los que los estudiantes han elaborado su

conocimiento, que en la mayora de los casos son diferentes a los que

estructuran las teoras cientficas (Pozo y Gmez Crespo, 1998).

Desde estas perspectivas y centrndose desde la disciplina qumica, son

muchas las dificultades de aprendizaje que se han investigado en el contexto

de la enseanza de las ciencias, por lo que no es posible abordarlas de modo

exhaustivo en este trabajo (vase, por ejemplo: Driver et al.,1994; Glynn y Duit,

1995; Garnett et al., 1995; Gmez Crespo, 1996; Mortimer, 2001; Osborne y

Freyberg, 1985; Pozo y Gmez Crespo, 1998; Pozo et al, 1991, Pozo y Rodrigo,

2001; Citado en Gmez, Pozo, Gutirrez; 2004). Por tanto, se tendrn en cuenta

algunos de sus aspectos para lograr justificar en parte la realizacin de la SD y en

este caso son: el concepto de modelo atmico y la interpretacin significativa

de la naturaleza discontinua y corpuscular de la materia. Sobre cuyas

dificultades de aprendizaje se han acumulado diversos estudios que muestran la

existencia de fuertes concepciones intuitivas, que parecen oponerse a esa

comprensin, y que persisten incluso despus de largos periodos de escolaridad

(por ejemplo: Benlloch, 1997; Gabel y Bunce, 1994; Gmez Crespo, Pozo y Sanz,

1995; Huann, 2000; Llorens, 1991; Niaz, 2000; Pozo, Gmez Crespo y Sanz,

1999; Stavy, 1995; Citado en Gmez, Pozo, Gutirrez; 2004). Al igual que ocurre

en otros dominios de la ciencia, las concepciones intuitivas, ideas previas o

teoras implcitas (Pozo y Gmez Crespo, 1998), sobre la naturaleza de la

materia y sus cambios son producto de lo que se podra considerar el sentido

comn ----o el funcionamiento cognitivo intuitivo----aplicado a la prediccin y

control de los fenmenos cotidianos y macroscpicos, lo que da lugar a

concepciones y representaciones que estn mediadas por los sentidos, por la

forma en que se percibe el mundo y que estn estructuradas, como se ha dicho,

15

en torno a unos principios muy diferentes de los que se organizan las teoras

cientficas.

En este sentido es necesario reconocer que la comprensin de la estructura de la

materia es una temtica fundamental de la disciplina qumica que se comienza a

estudiar en la educacin secundaria, y en el que se hace referencia a la

interpretacin de las propiedades y los cambios de la materia; cambios y

propiedades que pertenecen al mundo de lo que podemos observar con nuestros

sentidos, el mundo macroscpico. Uno de los objetivos de la educacin

secundaria es que los estudiantes aprendan a interpretar esos fenmenos

macroscpicos en trminos microscpicos (sub microscpicos, en sentido

estricto); es decir, que aprendan a utilizar los modelos cientficos y especficamente

el modelo corpuscular y discontinuo de la materia como instrumento

interpretativo de los distintos fenmenos que tienen lugar en la naturaleza de la

materia; estos modelos resultan fundamentales para poder explicar, por ejemplo,

las diferencias entre los estados de la materia, sus propiedades y los cambios

fsicos o qumicos, que experimenta. Sin embargo, descender al terreno micro o

sub microscpico implica asumir que, para explicar la realidad macroscpica de

la materia que en muchos casos se presenta, como continua y esttica, la ciencia

propone en este caso el modelo discontinuo y corpuscular basado en tres

ideas fundamentales: la materia est formada por pequeas partculas que no

podemos ver; las partculas se encuentran en continuo movimiento, frente a la

apariencia esttica con la que se nos presenta; entre esas partculas no hay

absolutamente nada, lo que conlleva algo tan contraintuitivo como la idea de

vaco y una naturaleza discontinua, frente a la apariencia continua con que la

que se percibe, estas tres ideas resultan fundamentales para explicar las

diferencias entre los estados de la materia, sus caractersticas sub microscpicas y

todos los cambios que experimenta, y es el modelo corpuscular y discontinuo el

que permite establecer mecanismos causales para i n t e r p r e t a r y explicar los

cambios de la materia (Giudice y Galagovsky, 2008).

Desde las ideas descritas anteriormente quedan en evidencia la diversidad de

estudios que se han llevado a cabo en el mbito de la enseanza y didctica de las

ciencias, especialmente de la disciplina qumica y en especial sobre la naturaleza de

la materia, la forma en que los estudiantes la interpretan y la comprenden, y las

multiples dificultades de enseanza y aprendizaje que se presentan en este mbito y

que provienen especficamente de la manera en que los estudiantes interpretan el

mundo, lo perciben y lo modelizan (particularmente el mundo sub microscpico de la

estructura interna de la materia), con respecto a esto, se pretende en este trabajo

disear una SD que contribuya al proceso de enseanza-aprendizaje-evaluacin del

concepto modelo atmico y la interpretacin de la naturaleza discontinua y corpuscular de

16

la materia; trabajo que se realiza bajo un enfoque constructivista del aprendizaje

(aprendizaje significativo), y cabe reconocer que aunque no es una idea del todo

innovadora en el amplio sentido que la palabra merece. Si bien es cierto, el diseo

de esta SD, su organizacin y creacin cuenta con un creciente nmero de

referencias, tanto sobre experiencias didcticas como de evaluacin y de principios

cognoscitivos por los cuales se rige la planificacin de las mismas y se pretende

favorecer en los aprendizajes de los estudiantes con respecto a esta temtica.

La idea de esta propuesta es organizar en una SD que le permita a los estudiantes

desde sus grados bsicos de escolaridad (sexto y sptimo) identificar la relacin

existente entre los fenmenos macroscpicos (aquello que vemos y percibimos:

como los objetos que hacen parte de nuestro entorno) y lo microscpico o

imperceptible (aquello que no vemos: como las molculas de una sustancia o el aire),

a travs del desarrollo de una serie de actividades en las que se retoman sus ideas

previas sobre la estructura de la materia, se favorece en la comprensin del concepto

modelo atmico para interpretar este tipo de fenmenos y consecuentemente la

interpretacin y comprensin del modelo discontinuo y corpuscular, aspectos que se

llevarn a cabo desde problemticas planteadas en actividades analgicas, de

anlisis, de lectura, de consulta, experimentacin, etc, que enriquecern la

problematizacin y reflexin del estudiante, aspectos con los que se favorecer en

gran medida la formacin de un pensamiento y lenguaje un poco ms abstracto y

formal que permite comprender el tipo de relaciones conceptuales que requieren las

disciplinas cientficas, de igual manera, se pretende adentrar al estudiante en el

mbito de la disciplina qumica donde el nivel de abstraccin que se necesita es

fundamental pues los estudios e investigaciones estn basados en representaciones

tericas o modelos cientficos y en trabajos experimentales que permiten interpretar y

comprender el comportamiento, caractersticas y naturaleza de la materia.

Finalmente se debe reconocer el potencial de formacin de este tipo de propuestas y

la posibilidad de trasformar y adecuar una metodologa educativa en un aula de clase

para que sea el mismo estudiante quien desarrolle sus procesos de aprendizaje

significativos a nivel individual y colectivo, esto hacia la aproximacin continua del

conocimiento cientfico escolar que le permitir acercarse al contexto natural y de

conocimiento de una manera ms acertada, as, el estudiante ser el principal

encargado de su aprendizaje, y el docente ser un facilitador del mismo, al

administrar los recursos didcticos y fusionarlos con su metodologa de enseanza,

logrando promover la construccin de conocimientos mas significativos y cambios

procedimentales y actitudinales.

17

2. ANTECEDENTES

El aprendizaje por parte de los estudiantes de la naturaleza corpuscular de la

materia constituye, sin duda, uno de los objetivos principales de la educacin en

ciencias de la actualidad. El conocimiento y comprensin sobre la materia, sus

propiedades y transformaciones, resulta de gran importancia para los estudiantes

por su carcter fundamental para entender e interpretar mltiples fenmenos

cotidianos expresados en el contexto natural, se debe reconocer que en la

literatura existe ya una gran cantidad de trabajos con respecto a las

concepciones alternativas que mantienen los estudiantes en el rea de la

qumica y la importancia de estas temticas en el contexto educativo de las

ciencias naturales (Pozo, Gmez-Crespo, Limn y Sanz, 1991; Garnett y

Hackling, 1995; Gmez Crespo, 1996; Pfund y Duit, 1998; Barker, 2000;

Citados en Velazco y Garritz, 2003). Dentro de estos trabajos se encuentran los

que tratan con la estructura de la materia y su naturaleza discontinua y

corpuscular (Novick y Nussbaum, 1978, 1981; Nussbaum y Novick, 1982;

Nussbaum, 1985; Llorens, 1988; Andersson, 1990; Renstrm, Andersson y

Marton, 1990; Haidar y Abraham, 1991; Gabel y Bunce, 1994; de Vos y

Verdonk, 1996; Pozo, Gmez y Sanz, 1999; Benarroch, 2000 a y b, 2001;

Gallegos, 2002; Citados en Velazco y Garritz, 2003), un tema muy estudiado

dentro de la qumica ya que se encuentra en cualquier currculo del nivel

medio, as como por su importancia para la comprensin de otros temas de esta

disciplina y su relevancia social (Andersson, 1990; Citados en Velazco y Garritz,

2003).

A continuacin y reconociendo la abundancia de investigaciones didcticas y

pedaggicas sobre la estructura de la materia se har una breve descripcin de

algunos antecedente en los que se evidencian diversas estrategias y perspectivas

educativas para sobrellevar de manera significativa los procesos educativos en la

disciplina qumica y en especial sobre la estructura de la materia y su naturaleza

discontinua y corpuscular, esta descripcin se realiza de manera general en el

mbito educativo y se materializa en tres contextos de estudio que se

desarrollarn en el transcurso de este trabajo: ideas previas de los estudiantes

con respecto a la estructura interna de la materia, las dificultades de enseanza y

aprendizaje de los modelos corpuscular y discontinuo de la materia y la

modelizacin para comprender su naturaleza micro invisible desde la

comprensin de los modelos atmicos.

Es evidente reconocer que el estudio de la comprensin del concepto de materia,

su naturaleza y estructura por parte de los estudiantes presenta perspectivas muy

18

diversas, ya que se trata de un dominio relacionado con gran cantidad de

contenidos cientficos en el currculum escolar, especialmente en la disciplina

qumica. Se gn B l anco y Prieto (2003) proponen que estos estudios han sido

pues, bastante abordados desde diferentes visiones y sealan como ejemplo

algunas revisiones bibliogrficas referentes a este dominio de conocimiento de la

disciplina qumica (recogidas en Andersson, 1990; Pozo, Gmez, Limn y Sanz,

1991; Krnel, Watson y Glazar, 1998; y Prieto et al. 2000; Citados en Blanco y

Prieto, 2003). Por ejemplo, (Krnel et al., 1998; Citado en Blanco y Prieto; 2003)

recogen ms de 300 referencias de trabajos concernientes a la naturaleza

corpuscular de la materia, su carcter discontinuo y la modelizacin de su estructura

micro invisible, con lo cual se puede establecer en el contexto de esta diversidad de

revisiones es que son multiples las investigaciones que existen en la enseanza de

las ciencias que han dejado en evidencia diversas dificultades de enseanza y

aprendizaje de los fenmenos sub microscpicos que hacen parte de la estructura de

la materia y cules son las ideas que los estudiantes usan comnmente para

interpretar este contexto natural, ideas que son uno de los factores ms relevantes

para comprender estas dificultades, aspecto que ha sido muy analizado y

descrito y sobre el cual, existen diferentes alternativas de enseanza que

contribuyen a minimizar estas dificultades y contribuir significativamente sobre los

procesos de enseanza-aprendizaje-evaluacin de conceptos y aspectos

particulares para comprender significativamente la naturaleza de la materia

(discontinuidad, vaco, caractersticas de las partculas, modelizacin de su

estructura sub microscpica, etc), favorecer en los procesos cognitivos requeridos

para modelizar fenmenos abstractos e imperceptibles y buscar esquemas

(teoras, modelos, representaciones segn los autores) que ayuden a explicar,

con mayor valor predictivo, cmo progresan los alumnos en su aprendizaje

sobre la naturaleza de la materia.

De acuerdo a lo anterior se puede iniciar esta descripcin de algunos antecedentes

con un estudio realizado por Benlloch (1997) con alumnos espaoles, de edad

promedio entre 10 y 14 aos, en el que pudo identificar desde su inters por

reconocer las ideas de los estudiantes frente a la naturaleza de la materia y sus

caractersticas sub microscpicas distintas teoras que estos utilizaban para explicar

la dilatacin del aire encerrado en un recipiente y su comportamiento a nivel

molecular, de tal forma que cada una de estas ideas implica una versin

diferente del concepto de aire y su composicin. Esta autora encuentra que los

alumnos mejoran de manera significativa a travs de ellas con la edad, aunque

se aprecia que las ideas sueltas, constituyentes de las teoras implcitas, no lo

hacen, es decir, son las que presentan ms resistencia al cambio y se puede

sustentar esta tesis con las ideas ya propuestas por Driver (1985) que caracteriz,

en alumnos de edades comprendidas entre 11 y 16 aos, la tendencia a atribuir

19

propiedades macroscpicas a las partculas, dando lugar a explicaciones tales como

el aumento de de tamao de las molculas en la dilatacin y aceptando el vacio entre

partculas, que son ideas previas que los estudiantes normalmente logran superar

con dificultad para entender el dominio de la estructura de la materia y comprender el

concepto de modelo para interpretar su naturaleza discontinua y corpuscular.

Por otra parte, Benarroch (1998) en su investigacin para tesis doctoral propone

identificar y describir las explicaciones ms comunes de los estudiantes sobre las

manifestaciones corpusculares de la materia, la influencia de la edad en la

comprensin de dominios disciplinares especficos y las dificultades esenciales a

esta evolucin cognitiva, desde lo cual diferenci, cinco niveles explicativos sobre la

naturaleza de la materia y su carcter discontinuo y corpuscular, aspectos que se

expresaron en las respuestas de 43 alumnos espaoles entre 9 y 22 aos a los

que se les realiz una serie de entrevistas individuales mediante un estudio piloto. En

estas entrevistas se realiz en dos fases en las que se pretenda reconocer de

manera diferenciada entre s mediante una pequea instruccin "lo que piensan los

cientficos acerca de la naturaleza de la materia" y se intent alcanzar el "verdadero

punto de vista" del estudiante, o, al menos, el "juicio que ms le convenca", lo que

se traduce en tiempo de realizacin, pero tambin en respuestas que reflejaron mejor

su verdadero conocimiento sobre la naturaleza de la materia, con lo cual se pudo

evidenciar que los niveles que se obtuvieron como resultado se definieron por un

cierto modelo de la materia y los tipos de explicaciones asociados al mismo,

dibujan el progreso desde una imagen de la materia continua y esttica hasta un

modelo de la misma en el que se la concibe como un sistema de partculas que

interaccionan entre s y estn en continuo movimiento, con slo el vaco entre

ellas, lo cual refleja la progresin en cuanto a la comprensin de la naturaleza

corpuscular de la materia y su carcter discontinuo de acuerdo al desarrollo

cognitivo de los estudiantes y la relaciones cognitivas que se establecen en el

avance de sus grados de escolaridad.

En cuanto a las dificultades de enseanza aprendizaje de la naturaleza de la materia

y su carcter discontinuo y corpuscular se puede destacar la investigacin hecha por

Johnson (1998 citado en Lpez y Prieto 2004) en el que realiza un estudio

longitudinal sobre el progreso en la comprensin de una teora corpuscular bsica

sobre la materia. Tomando en consideracin trabajos anteriormente realizados, y en

particular las concepciones sobre la materia informadas por Renstrm (1990;

Citado en Lpez y Prieto, 2004) identifica en una muestra de estudiantes ingleses

de 11 a 14 aos, cuatro modelos a los que denomina de la siguiente forma:

sustancia continua ( A); partculas en la sustancia continua ( B); las partculas son

la sustancia, pero con propiedades macroscpicas (C); las partculas son la

sustancia pero las propiedades de la sustancia son debidas a las propiedades del

20

colectivo de partculas ( D). Sus resultados sugieren que la secuencia B-C-D podra

representar estados por los cuales los estudiantes transitan para concluir en la

teora corpuscular. La escala de tiempo utilizada para valorar los posibles cambios

constituye un aspecto importante. Aunque muchos estudiantes permanezcan en

la misma categora durante un curso escolar o ms, cuando se exploran sus ideas

durante un periodo ms largo aparecen evidencias de que la mayora cambia su

razona miento y que un nmero considerable de estudiantes lo hace hasta el modelo

D. Johnson distingue dos dimensiones: continua corpuscular y macroscpica

colectiva, de forma que, con respecto a stas, los modelos pueden verse como

territorios identificables. Los cambios en los estudiantes, considerados individual

mente, parecen producirse en una de las dimensiones y no en las dos a la vez. En

primer lugar, se progresa en la dimensin continua-corpuscular mientras se

permanece sin cambio en la macroscpica-colectiva, y despus el progreso tiene

lugar en esta segunda, donde el desarrollo significativo es el abandono de la

asignacin de las propiedades macroscpicas a las partculas individuales, aspecto

que se toma en cuenta en la realizacin de esta propuesta educativa en la cual

se pretende que los estudiantes logren la comprensin de la estructura de la

materia micro invisible y reconozcan el concepto de modelo como una posible

interpretacin de la dinmica corpuscular y macroscpica que la sustenta.

Para concluir el recorrido de los antecedentes que mencionan tantas

investigaciones y trabajos con respecto a conocimiento de la teora corpuscular de

la materia y su carcter discontinuo se complementan las ideas anteriores con una

investigacin realizada por Raviolo, Ramrez y Lpez (2010) en la que propone la

enseanza y uso del concepto modelo cientfico a travs de las analogas, dando

una perspectiva muy interesante en el contexto de la enseanza de la qumica y la

fsica si se reconoce que son disciplinas con un carcter simblico y abstracto que

requieren el uso de modelos constantemente, y en especial cuando se desarrollan

temticas referentes al mundo atmico y molecular. Este trabajo se llev a cabo

con 45 alumnos de primer ao del Instituto de Formacin Docente Continua de

San Carlos de Bariloche, durante el curso del rea de ciencias naturales, En un

grupo heterogneo en edades con un promedio de 26 aos. Se trat de alumnos

futuros maestros de primaria que abordan contenidos tanto de las ciencias

experimentales como de su didctica. En este trabajo se buscaba el

reconocimiento del concepto modelo cientfico como elementos fundamentales en

el desarrollo del conocimiento de las ciencias y de su enseanza, esto lo logran

cuando en su trabajo aportan a la problemtica de cmo ensear el concepto de

modelo cientfico y presenta un diseo de investigacin en el que incluyen el empleo

de dos analogas (la caja negra y los mapas). Con esto se pudo reconocer que el

razonamiento analgico es una actividad de comparacin de estructuras y funciones

entre dos dominios: un dominio conocido y un dominio nuevo o parcialmente

21

nuevo de conocimiento, en correspondencia con el conocimiento previo del

estudiante y el conocimiento especfico planteado por el maestro que contribuye a

la formacin del conocimiento cientfico escolar y se reconoce que comprender un

modelo implica que este puede ser utilizado como una herramienta de investigacin

con las finalidades de describir, explicar y predecir, y que no es un cmulo de

hechos estticos y acabados que deban ser memorizados y tomarse como una

verdad exacta y absoluta.

De manera ms concreta, las diferentes investigaciones presentadas evidencian,

en la mayor parte de los casos, de datos de experiencias prcticas y generales en

la solucin de diversas dificultades de enseanza y aprendizaje del dominio de la

estructura de la materia. Esto puede implicar que los modelos recogidos en un

trabajo determinado no representen todas las posibilidades, y que stos

dependan, bien de la naturaleza de los contextos y tareas utilizados en la

recogida de datos y el desarrollo de dificultades concretas para la comprensin

de estas temticas, bien de las perspectivas explcitas o implcitas de los

investigadores sobre las dimensiones que consideran objetivo principal en ese

trabajo, entre otras variables de igual relevancia. As mismo cada estudio

aborda un conjunto discreto de contextos sobre la naturaleza de la materia, que

puede ir desde escoger investigar slo un aspecto muy concreto (como la

dilatacin del aire) hasta varios aspectos (estados de la materia y

transformaciones diversas). Este hecho, hace necesario construir nuevas

estrategias que contribuyan a los procesos de enseanza-aprendizaje-evaluacin

significativos, de acuerdo a un determinado contexto y requerimientos especficos

conceptuales de aprendizaje, esto con el fin de garantizar la comprensin del

dominio de conocimiento especifico y los elementos cognitivos que fortalezcan el

entendimiento de las estructuras conceptuales que emerjan de las disciplinas

cientficas cuando se desarrollan temticas sobre fenmenos naturales

abstractos, complejos y simblicos como los que permiten interpretar el mundo

micro invisible que gobierna la estructura de la materia.

22

3. IDENTIFICACIN DEL PROBLEMA

La comprensin de la naturaleza de la materia y su carcter discontinuo y

corpuscular es un ncleo relevante de contenidos dentro de la disciplina qumica que

se inicia en la educacin secundaria en sus grados inferiores, y hace referencia a la

interpretacin de las propiedades y los cambios de la materia; cambios y

propiedades que pertenecen al mundo de lo que se puede observar con los sentidos,

el mundo macroscpico y que son la expresin de un mundo imperceptible a simple

vista, sub-microscpico y micro-invisible en el caso de los fenmenos atmicos y

moleculares. El MEN en sus estndares de competencias bsicas para la educacin

en ciencias, propone como uno de sus objetivos para los grados iniciales de la

educacin bsica que los estudiantes establezcan relaciones entre las caractersticas

macroscpicas y microscpicas de la materia y las propiedades qumicas que las

constituyen, esto desde el desarrollo de acciones de pensamiento con las cuales

puedan describir los moldeos cientficos que explican su naturaleza y estructura, con

lo cual aprendan a interpretar esos fenmenos macroscpicos en trminos

microscpicos (sub-microscpicos, en sentido estricto); es decir, que aprendan a

utilizar el modelo corpuscular y discontinuo de la materia como instrumento

interpretativo de las distintas situaciones que tienen lugar en la naturaleza y en las

diversas disciplinas cientficas.

Este modelo resulta fundamental para poder explicar, por ejemplo, los diferentes

estados de la materia, su estructura y comportamiento atmico-molecular, sus

propiedades y los cambios fsicos o qumicos que experimenta. No obstante,

descender al terreno microscpico implica asumir que, para explicar la realidad

macroscpica de la materia (que en muchos casos se presenta, como continua y

esttica), la ciencia propone un modelo interpretativo (el modelo cintico corpuscular

y los modelos atmicos) basados en tres ideas significativas: la materia est formada

por pequeas partculas que no podemos ver; las partculas se encuentran en

continuo movimiento, frente a la apariencia esttica con la que se nos presenta; entre

esas partculas no hay absolutamente nada, lo que conlleva algo tan contraintuitivo

como la idea de vaco y una naturaleza discontinua, frente a la apariencia continua

con que la percibimos. (Pozo, Gmez Crespo, Limn y Sanz, 1991).

En esta misma lnea de pensamiento se agregan las investigaciones de Gmez,

Kent, Pozo Sanz, Limn (1996) en las que exponen de manera descriptiva tres

ncleos conceptuales basados en las ideas previas de los estudiantes con respecto a

la disciplina qumica y las dificultades que encuentran en su estudio, estos tres

ncleos /la naturaleza discontinua de la materia/ la conservacin de las propiedades

no observables/ cuantificacin de relaciones/ pueden interpretarse como estructuras

23

cognitivas de grado intermedio entre los estadios de Piaget y las concepciones

especificas del estudiante sobre la qumica, con lo cual se puede justificar las

diversas dificultades de enseanza-aprendizaje, de las cuales se puede resumir en

diez puntos con los que consecuentemente estos se ven enfrentados atribuyendo

ciertas caractersticas a las partculas:

1. Atribuirles caractersticas animistas.

2. No estn en continuo movimiento.

3. No hay vaci entre partculas.

4. Atribuirles propiedades macroscpicas.

5. Alteraciones en la distribucin, proximidad y orden de las partculas.

6. No pesan.

7. Atribuirles propiedades macroscpicas (poseen las mismas propiedades del

sistema del que forman parte).

8. No se conserva la forma y el tamao o el nmero de partculas.

9. No hay interacciones

10. Creacin de fuerzas que explican el comportamiento.

A estas dificultades de enseanza-aprendizaje se puede aadir que algunos

maestros desde su prctica educativa no realizan anlisis profundos sobre este tipo

de temticas (abstractas, simblicas y de modelacin) y no dedican el tiempo

suficiente para crear estrategias didcticas acordes con el grado de abstraccin que

se requiere para comprender el aspecto discontinuo de la materia y su composicin

micro-invisible. Esto se debe en parte a que el concepto tomo o discontinuidad de la

materia son introducidos en la educacin bsica a partir de una reflexin terica

basada en el lmite de un hipottico proceso de subdivisin sucesiva de esta, idea

que es frecuente en los textos escolares, en los que existen enunciados que

expresan ejemplos de numerosas subdivisiones de una misma sustancia u elemento

y se indaga sobre el limite hipottico hasta el punto en que tal divisin sea imposible,

por ejemplo una determinada cantidad de agua o una torta. Entre otros casos,

diferentes hechos experimentales relacionados con el comportamiento de los gases,

los procesos de disolucin, la dilatacin o los cambios de estado, son propuestos

como punto de partida para la enseanza del modelo atmico-molecular. Tanto en un

caso como en el otro pareciera considerarse obvio que el estudiante ya es capaz de

utilizar significativamente conceptos y representaciones fundamentales en una visin

discontinua de la materia, para analizar la realidad macroscpica y continua que lo

rodea.

La enseanza del modelo atmico-molecular basada en esta perspectiva supone una

dinmica en los procesos de educacin de la qumica rgidos, especializados y

complejos, en los que algunos maestros asumen por hecho de los estudiantes una

24

comprensin total de los fenmenos atmico-moleculares y algunos casos

fundamentan su prctica educativa sobre el contenido total de los libros de texto

escolar, que en la mayora de ocasiones se presentan como herramientas educativas

limitadas que no tienen en cuenta el valor pedaggico de la historia de los conceptos

cientficos, expresan ideas erradas sobre el concepto de ciencia y la actividad

cientfica y no contribuyen desde su estructura educativa a la abstraccin que se

requiere para comprender la estructura micro-invisible que conforma la materia, su

naturaleza discontinua y su carcter simblico lgico-matemtico expresada en los

modelos atmicos y en el lenguaje de la disciplina.

Teniendo en cuenta las anteriores ideas en las que se expresan algunas

problemticas significativas que se hacen evidentes en el proceso de enseanza

aprendizaje sobre la naturaleza corpuscular y discontinua de la materia y el modelo

atmico-molecular se hace necesario desarrollar propuestas educativas que

favorezcan en el proceso educativo del concepto modelo tomo como la

interpretacin de las unidades constitutivas de la materia (los tomos), propsito que

se lograr si se trata de aproximar mediante actividades didcticas, ldicas y

reflexivas a los estudiantes en los grados de la educacin bsica a la formacin de

un pensamiento abstracto que les permita la modelizacin y comprensin de los

diversos fenmenos simblicos y lgico-matemticos de la qumica y a la adquisicin

de un lenguaje ms formal con el que puedan superar las distintas problemticas que

se abordan en esta disciplina, especficamente desde la discontinuidad de la materia,

concebir la materia tal como se percibe a nivel macroscpico y la representacin de

lo no observable ( Pozo et al 1991). Desde estas perspectivas y si comprendemos a

las secuencias didcticas como elementos que pueden favorecer en la construccin

de conocimientos ms significativos y la mediacin de los procesos educativos de las

ciencias naturales, se pretende con este trabajo desarrollar la siguiente problemtica.

CMO DISEAR UNA SECUENCIA DIDCTICA QUE FAVOREZCA AL

PROCESO DE ENSEANZA-APRENDIZAJE-EVALUACIN DEL CONCEPTO

MODELO ATMICO Y LA INTERPRETACIN DE LA NATURALEZA

DISCONTINUA Y CORPUSCULAR DE LA MATERIA?

25

4. MARCO TERICO

A continuacin se describen cada uno de los elementos que hacen parte de la

estructura conceptual que permitieron el desarrollo de este trabajo, se divide en dos

partes, la primera corresponde al discernimiento y conceptualizacin de qu son los

modelos, sus generalidades, sus tipos y los procesos de modelizacin en el contexto

cientfico y el contexto escolar, y se hace hincapi en los modelos cientficos, la

modelizacin y la historia de los modelos atmicos, que son en s el propsito

material del diseo de la SD, y que sern el soporte didctico y pedaggico en el

diseo de cada una de las actividades propuestas en este trabajo. En la segunda

parte, se profundiza sobre los elementos didcticos y pedaggicos de la SD y se

describen los elementos conceptuales ms significativos de la teora del aprendizaje

significativo propuesta por David Ausubel, sus caractersticas y sus implicaciones en

la construccin y desarrollo enseanza de las ciencia y sus posibilidades con

respecto a los procesos de enseanza-aprendizaje-evaluacin en el contexto de

conocimiento de la interpretacin significativa de los modelos atmicos y la

naturaleza discontinua y corpuscular de la materia.

4.1 LOS MODELOS: HACIA UNA APROXIMACIN CONCEPTUAL

La palabra modelo es polismica; se ha empleado y se emplea an con sentidos

diversos. Por un lado es ejemplar, es decir indica aquellas cosas, actitudes o

personas que se propone imitar. La valenta de un guerrero, la inteligencia de un

sabio, la solidaridad de un mdico, la velocidad de un corredor o la belleza de una

mujer son ejemplos de modelos en este sentido. A continuacin se emplear la

palabra modelo en su otro y tambin generalizado sentido. De este modo vamos a

entender los modelos como representaciones, basadas generalmente en analogas,

que se construyen contextualizando cierta porcin del mundo, con un objetivo

especfico (Chamizo 2009).

En esta definicin todas las palabras son importantes: las representaciones son

fundamentalmente ideas, aunque no necesariamente ya que tambin pueden ser

objetos materiales. Las representaciones no son por s mismas, y valga la

redundancia, autoidentificantes. Las representaciones lo son de alguien (ya sea una

persona o un grupo) que las identifica como tales. Una analoga est constituida

por aquellos rasgos o propiedades que sabemos similares entre un modelo y el

mundo. Que se construyen contextualizando, remite a un tiempo y lugar

histricamente definido lo que adems enmarca la representacin; cierta porcin

del mundo indica su carcter limitado, los modelos son respecto al mundo parciales.

26

Un objetivo especfico, establece su finalidad, general pero no necesariamente, el

explicar, y sobre todo predecir. Hay que recordar que la explicacin es una de las

ms significativas caractersticas de las ciencias ( Bailar, Jones, 2002; Citado en

Chamizo, 2009), pero que en determinados casos an sin poder del todo explicar

una buena parte de su prestigio radica en predecir, de este modo la tarea de la

ciencia es a travs de modelos y teoras inferir indirectamente sobre hechos

imperceptibles en ocasiones que son directos, como por ejemplo el conocimiento del

origen del universo o el campo electromagntico que expresa el ncleo del planeta

tierra (Chamizo e Izquierdo, 2005).

De este modo hay que precisar ms an sobre tres aspectos de los modelos que

permiten identificarlos claramente segn las conclusiones expuestas por Chamizo

(2009) y se mencionan de manera general a continuacin:

De acuerdo con la analoga los modelos pueden ser mentales, materiales o

matemticos.

De acuerdo a su contexto los modelos pueden ser a su vez didcticos o cientficos

dependiendo de la comunidad que los justifique y el uso que se les d. Aqu es muy

importante el momento histrico en el que los modelos son construidos. Puede

decirse, en general, que los modelos ms sencillos son los ms antiguos.

La porcin del mundo y de la realidad que se va a modelar puede ser una

idea, un objeto, un fenmeno natural o un sistema integrantes del mismo.

4.1.1 Clasificacin de los Modelos

Los modelos son representaciones, basadas generalmente en analogas (Achinstein,

1987; Clement, 2008). As pueden ser semejantes a esa porcin del mundo,

generalmente ms sencillos, pero no enteramente, de manera que se pueden derivar

hiptesis o predicciones del mismo y someterlas a prueba. Los resultados de esta

prueba dan nueva informacin sobre el modelo. Las analogas pueden ser de este

modo: mentales, materiales, matemticas y cientficas.

Los modelos mentales Greca y Moreira, 1998; Franco y Colinvaux, 2000; Rapp,

2005; Clement y Rea-Ramirez, 2008; Citados en Chamizo, 2009) son

representaciones construidas por nosotros para dar cuenta de (dilucidar, explicar,

predecir) una situacin. Son los precursores de las conocidas ideas previas (Kind,

2005) o concepciones alternativas y en ocasiones pueden ser equivalentes. Son

inestables, al ser generados en el momento y descartados cuando ya no son

necesarios, cognitivamente seran modelos de trabajo desechables.

27

Los modelos materiales (que tambin pueden ser identificados como prototipos)

son a los que tenemos acceso emprico y han sido construidos para comunicarse

con otros individuos. Estos modelos son los modelos mentales expresados (Gilbert,

Boulter y Elmer, 2000, Citado en Chamizo, 2009) a travs de un lenguaje especfico,

como el de la qumica, (Hoffmann y Lazlo, 1991; Citado en Chamizo, 2009), objetos

en dos, por ejemplo un mapa, (Tversky, 2005, Citado en Chamizo, 2009) o tres

dimensiones, maquetas diversas o los llamados modelos moleculares, (Francoeur,

2001, Citado en Chamizo, 2009) y cuyo ms famoso ejemplar es el de la molcula

de ADN propuesto por Watson y Crick. Tambin lo son los modelos experimentales

(Prez, Tamayo, 2005) como las ratas macho Sprague-Dawley que se utilizan de

manera estandarizada en las investigaciones biomdicas para modelar

enfermedades o la accin de posibles remedios para las mismas (se debe pensar en

ellas como una especie de maqueta robot no construida por nosotros). As, por

ejemplo, para conocer la toxicidad de una sustancia es necesario matar, pero en la

actualidad en lugar de matar esclavos como se sugera en la antigua Grecia o

prisioneros en los campos de concentracin nazis se matan ratas. La toxicidad de

cualquier producto es lo que se conoce como dosis letal media (LD50 por sus siglas

en ingls). El LD50 indica la masa de una sustancia que, una semana despus de

que la ingirieron un determinado nmero de ratas aisladas, mata a la mitad de las

mismas. Cuando se realiza un experimento dndoles a las ratas esa determinada

sustancia sobre ellas se modela la toxicidad.

Los modelos matemticos (Malvern, 2000; citado en Chamizo, 2009) son,

generalmente, aquellas ecuaciones construidas para describir precisamente la

porcin del mundo que se est modelando. Los modelos matemticos constituyen las

leyes que son la manera ms comn, que no la nica, de explicar en la tradicin

cientfica (Suppe, 1989; citado en chamizo 2009) y sobre esto ya el filsofo R. Giere

adelanto la posibilidad de tener ciencia sin leyes. La ecuacin PV = nRT es un

ejemplo de un modelo matemtico que nos permite explicar el comportamiento de

los gases ideales. Aqu hay que recordar la opinin del gran qumico L. Pauling

sobre lo que son las leyes que empleamos tan frecuentemente en las aulas sin

pensar suficiente lo que son en realidad:

Una ley es una descripcin sucinta del resultado de un nmero finito de

experimentos. No es un dogma inflexible. Describe nicamente los experimentos que

se han realizado mientras la ley se reconoce como vlida. stas leyes bsicas

de la naturaleza, dependiendo del resultado de un nuevo experimento, podrn no

ser vlidas el prximo ao (1950, Pg. 111)

28

Por lo dems, los modelos matemticos no nicamente pueden formularse

lingsticamente (con algn lenguaje matemtico) sino tambin mediante signos,

diagramas, grficas u objetos tridimensionales (Mehrtens, 2004; citado en Chamizo

2009).

Las simulaciones y las animaciones (Talanquer e Irazoque, 1990; Harrison and

Treagust, 2000; Kozma and Rusell, 2005; citados en Chamizo 2009), son modelos

materiales que cambian en el tiempo y se podran considerar como un tipo mixto de

los modelos anteriormente caracterizados una vez que se construyen con una

formulacin matemtica (generalmente resuelta y visualizada en una computadora).

Estos modelos materiales matemticos (es decir doblemente expresados)

constituyen la conocida realidad virtual presente en los video juegos de

computadora y las dems de nuevas tecnologas, estos ltimos muy utilizados en

representaciones en tercera dimensin donde se expresan diseos de imgenes que

explican el comportamiento de la naturaleza atmico molecular de la materia.

De acuerdo al contexto los modelos cientficos, especficamente desde su

conocimiento (cuando no est sujeto a las restricciones que le imponen las

compaas comerciales o los ministerios de defensa), es necesario reconocer que

se construyen con base en un conocimiento que es pblico y est sujeto a

comprobacin por otras personas, generalmente cientficos. Con esa posibilidad de

repetir una y otra vez los experimentos y las observaciones en diferentes

condiciones de tiempo y espacio, y validarlos comnmente, es lo que hace que el

conocimiento cientfico se presente como objetivo y confiable. La principal forma de

comunicarlo es a travs de artculos en revistas especializadas de las cuales

se publican miles de ellas, mes tras mes en todo el mundo y con el objetivo de

mostrar los resultados de experiencias cientficas donde se expresan nuevos

conocimientos. Uno de los ejemplos ms famosos de lo anterior proviene de la

astronoma. Cuando en 1687 el fsico y alquimista ingls I. Newton public su

libro Principia lo que hizo fue describir el mundo fsico a partir de modelos que no

hacan necesariamente referencia explcita a objetos del mundo real. Unos aos ms

tarde, en 1695, E. Halley un astrnomo y amigo de Newton aplic dichos modelos

para explicar el movimiento de los cometas. As pudo predecir que a finales del

entonces lejano 1758 regresara un cometa que se haba observado en 1530-31,

1607-08 y 1682. El asunto no era tan sencillo una vez que junto con estas

observaciones confiables de cometas haba al menos otras 24 en otras tantas

fechas.

Regresando a los artculos aparecidos en las revistas cientficas, cuya publicacin es

la garanta de validez (sujetas a cambios) de ese conocimiento. Como lo ha indicado

Daz (2005):

29

Una pesquisa por los ndices de revistas y los ttulos de trabajos cientficos actuales

muestra que la palabra modelo est entre las diez ms frecuentes en los ttulos de

artculos de las ciencias fisicomatemticas, biomdicas, conductuales, sociales e

incluso las humanidades. Adems se trata del nico trmino de esa menuda muestra

de palabras favoritas que no designa sistemas o procesos concretos, como son los

trminos rata, humano, clula, protena o gene, que encabezan la lista en los

ttulos de artculos biolgicos y biomdicos, o de las palabras nio, familia,

lenguaje, trabajo o social, que con mayor frecuencia especifican los artculos

en ciencias sociales y de conducta. La palabra modelo es, entonces, la que en

mayor medida comparten los cuatro puntos cardinales de la indagacin acadmica, y

es una palabra proveniente de la teora y, en particular, de la metodologa. (2005,

Pg. 11)

Los cientficos construyen modelos sobre una determinada porcin del mundo y son

esos modelos, con sus ventajas y desventajas lo que reportan a sus colegas.

Contrariamente a lo que se piensa comnmente, una vez que no hay un mtodo

cientfico universal (McComas, 1998; citado en Chamizo 2009), una de las

actividades principales de los cientficos es evaluar cul, de entre dos o ms modelos

rivales, encaja con la evidencia disponible y por lo tanto cul representa la

explicacin ms convincente para determinado fenmeno en el mundo (Driver,

Newton and Osborne, 2000), este es el comportamiento de la actividad cientfica y en

la comprensin de esta dinmica radica el conocimiento de su esencia y la aprensin

significativa de su historia y su papel fundamental en la concepcin de mundo que

llegamos a tener.

Continuando con la descripcin de los modelos de acuerdo a su contexto, tenemos

los modelos didcticos, y los cuales se hacen bajo la ciencia escolar (Izquierdo,

1999; Izquierdo y Aduriz, 2003, Citado en Chamizo, 2009) que es la que corresponde

a los conocimientos construidos y elaborados en el entorno escolar. No es la ciencia

tal cual de los cientficos, sino una reconstruccin de sta, al mismo tiempo que

tampoco es un reflejo de los saberes cotidianos de los estudiantes. En este caso la

idea principal de este apartado es la de transposicin didctica (Chevallard, 1997,

Citado en Chamizo, 2009), que indica los procesos por medio de los cuales el

conocimiento cientfico se transforma de manera que sea posible su aprendizaje por

los estudiantes, independientemente de su edad y de sus condiciones

socioculturales. Como estas ltimas son extremadamente diversas tambin lo es

la transposicin didctica. A pesar de ello, una condicin necesaria es que el

conocimiento no deje de ser riguroso y abstracto. A continuacin se pueden

reconocer dos tiempos o dos subconjuntos de los modelos didcticos: los que

corresponden a la enseanza, es decir tal como son presentados por los expertos

30

en el ambiente escolar y los que corresponden al aprendizaje, que son los

expresados por los aprendices.

Ejemplos de modelos didcticos son, adems de los dibujos que hacen tanto

alumnos como docentes, muchas de las ilustraciones que se muestran en los libros

de texto y que generalmente aparecen como verdades incuestionables, sin identificar

sus limitaciones y descontextualizadas histricamente (en lo que se ha denominado

modelos hbridos, Justi, 2000).

Lo anterior obliga a repensar el sentido de la ciencia que se est enseando y en qu

medida es realmente ciencia escolar. Como bien lo ha indicado el investigador

educativo D. Hodson (2003, pp. 647-648):

Hay un extenso reconocimiento entre los educadores de la ciencia que sta es un

producto de su lugar y de su tiempo estrechamente relacionada con instituciones

locales y profundamente influenciada por sus mtodos de construccin y validacin.

Muchos estudiantes no aprenden lo que nosotros quisiramos: su conocimiento

sobre la ciencia y la capacidad de usar tal conocimiento efectivamente estn lejos de

lo que ambicionamos; su entendimiento sobre la naturaleza y los mtodos de la

ciencia son generalmente incoherentes, distorsionados y confusosAhora, por

primera vez en la historia, estamos educando alumnos para vivir en un mundo

acerca del cual sabemos muy poco, excepto que estar caracterizado por un

vertiginoso cambio y que ser ms complejo e incierto que el mundo de hoyqu

tipo de educacin en ciencias es apropiada para preparar a nuestros estudiantes

para ese desconocido mundo del futuro?

As respecto al contexto, que hay que reconsiderar de acuerdo con la cita anterior,

hay dos formas diferentes en las cuales los modelos son interpretados, una vez que

estn dirigidos o construidos por dos grupos diferentes: los aprendices y los

expertos Tabla 1 (modificada de Grosslight, Unger, Jay and Smith, 1991; citados en

Chamizo 2009). De acuerdo con la misma hay que hacer notar que los aprendices

adquieren, construyen y aplican modelos de manera inconsciente. Una manera

importante de entender en que consiste la prctica cientfica pasa por tener

conciencia de que se est trabajando con modelos.

31

TABLA 1.- DIFERENCIAS EN CMO SON ENTENDIDOS LOS MODELOS POR

LOS APRENDICES Y LOS EXPERTOS

Aprendices Expertos

Los modelos son materiales.

Los modelos son mentales, materiales y

matemticos.

Ayudan a conocer y a comunicarse con el mundo

real.

Los modelos ayudan a entender o a pensar sobre

una porcin contextualizada del mundo.

Modelos diferentes del mismo objeto, sistema,

fenmeno o proceso muestran diferentes aspectos

del objeto, sistema, o proceso real.

Diferentes modelos de diferentes objetos,

sistemas o procesos pueden construirse para

diferentes propsitos.

Los modelos pueden cambiar si son equivocados

o se encuentra nueva informacin.

Los modelos son reemplazados por otros ms

adecuados con los propsitos establecidos.

Los modelos ms actualizados son siempre los

ms correctos y los que mejor explican el objeto,

fenmeno o sistema.

Los modelos ya reemplazados pueden seguir

utilizndose si los propsitos de su uso son

satisfechos por dicho modelo, que incluso puede

resultar ms simple.

Tabla 1. Diferencias en cmo son entendidos los modelos por los aprendices que no solo

son los estudiantes, en este grupo tambin se encuentran visitantes de museos y

consumidores en general; y los expertos. (Tomado de Chamizo 2009).

La anterior tipologa se aplica a todos los modelos. As hay modelos materiales

didcticos sobre un objeto (el tomo de Bohr como se muestra usualmente en los

libros de texto para educacin bsica); materiales didcticos sobre un sistema (las

maquetas del sistema solar); matemticos cientficos sobre un sistema (como las

publicadas originalmente sobre los gases, Edwards and Shupe, 1930, citado en

Chamizo 2009); mentales cientficos sobre un proceso o sistema (algunas de las

indicadas en Nerssesian, 2007 sobre la construccin de nuevos modelos por Galileo,

Newton, Faraday, Maxwell, Bohr y Einstein) o materiales matemticos didcticos

sobre un sistema, como las simulaciones que se realizan en la enseanza de la

ecologa.

Finalmente y comprendiendo que los modelos estn estrechamente relacionados

con la porcin del mundo que se modela es necesario entender que estos son de

32

algo. Algo que se encuentra en el mundo. Algo que es el mundo. Ahora bien

el mundo real es tan extraordinariamente complejo, en cada objeto (cmo un

automvil, o un puente) o fenmeno (algo que sucede y que es percibido, como la

lluvia o la digestin), o sistema (el conjunto de cosas que se relacionan entre s y

funcionan juntas integralmente, como algunos mapas del metro o el sistema solar)

influyen tantas y tan diversas variables que para intentar entenderlo los

relacionamos con sus respectivos modelos. Aqu no se pueden dejar de lado las

ideas como entidades del mundo real construidas por las sociedades humanas.

As, por ejemplo, las sirenas, las fuerzas o la democracia tambin pueden

modelarse. Resumiendo, a lo largo a lo largo de su historia las diversas

sociedades humanas han construido varios modelos diferentes de la realidad

diferentes para representar una determinada porcin del mundo. As mismo esto se

ejemplificara con aquella porcin del mundo que llamamos tomo (Cruz, Chamizo y

Garritz, 1987; Citado en Chamizo 2009) y que se describen a continuacin en cuanto

a su contexto histrico desde un estudio general de sus diferentes modelos, sus

creadores y las caractersticas que conllevaron a la construccin de cada uno.

4.2 LOS MODELOS ATMICOS: UNA DESCRIPCIN Y ANLISIS HISTRICO

DE SU EVOLUCIN

El estudio del desarrollo histrico-epistemolgico de las teoras o modelos cientficos

es hoy un campo de inters, no solo para los especialistas en este campo de

conocimiento, sino, tambin, para quienes se ocupan de los problemas de la

didctica de las ciencias experimentales, ya que esto les permite aproximarse a una

comprensin de la dinmica de la produccin de conocimiento en este sector de la

cultura universal, adems de analizar los procesos de transposicin didctica

(Chevallard, 1998).

Para adentrarse en el estudio que aqu se realiza es necesario centrarse en los

artculos originales en los que los tres cientficos J.J Thomson, E. Rutherford y Niels

Bohr, desarrollaron sus modelos atmicos (Thomson, 1904, Rutherford, 1911 y 1914;

Bohr, 1913; Citados en Uribe y Cuellar, 2008), la lectura de los mismos, adems del

dominio conceptual y metodolgico necesario en este trabajo, precisa del

establecimiento de una mirada epistemolgica, tanto general como especifica, por lo

que se adopt la lakatosiana (Lakatos, 1983) para realizar una descripcin

significativa de la historia y evolucin de los modelos atmicos.

Para iniciar este recorrido por la historia de los modelos atmicos, sus creadores,

limitaciones y posibilidades, hay que decir que se contaba con la teora atmica de

33

John Dalton, propuesta en 1803, y que result fundamental para toda la investigacin

posterior en los campos de la qumica y de la fsica, adems por que Introdujo la idea

de la discontinuidad de la materia, en la primera teora cientfica que consideraba que

la materia est dividida en tomos (dejando aparte a precursores de la Antigedad

como Demcrito y Leucipo, cuyas afirmaciones no se apoyaban en ningn

experimento riguroso), los principios bsicos de su modelo explicaban porqu las

substancias se combinaban qumicamente entre s slo en ciertas proporciones. Y

poda aclarar que aun existiendo una gran variedad de substancias diferentes, estas

podan ser explicadas en trminos de una cantidad ms bien pequea de

constituyentes elementales o elementos. En esencia, el modelo explicaba la mayor

parte de la qumica orgnica del siglo XIX, reduciendo una serie de hechos

complejos a una teora combinatoria realmente simple.

Aunque las limitaciones de su teora fueron muy significativas ya que su modelo no

poda explicar fenmenos como la electricidad, para los que se sabe debe admitirse

que el tomo es divisible y est formado por partculas cargadas elctricamente ms

pequeas que l (electrones y protones). Tampoco pudo explicar satisfactoriamente

porqu a pesar de que las substancias se combinaban entre s en proporciones fijas,

dadas dos substancias a veces podan existir dos o tres de estas proporciones. Por

ejemplo el carbono (C) y el oxgeno (O) que pueden combinarse como monxido de

carbono CO o como dixido de carbono CO2. Este hecho como se sabe hoy en da

depende de la particular estructura interna de los tomos y como los electrones se

disponen dentro de los tomos, correspondiendo cada compuesto diferente de dos

elementos una disposicin interna diferente de los enlaces qumicos que forman los

electrones. Finalmente el modelo atmico de Dalton poda explicar la periodicidad de

las propiedades qumicas de los elementos, resumida en la tabla peridica de

Mendelyev, ms tarde interpretada gracias a la estructura electrnica interna en los

tomos.

En ese momento, la estructura general de esta teora segua siendo aceptada, pero

con los trabajos de M. Faraday y de W. Crookes y el descubrimiento de la

radiactividad se pusieron de manifiesto algunos aspectos del tomo que motivaron a

un grupo de cientficos a trabajar en este campo. Se concluy que el tomo no poda

ser una partcula indivisible, como lo propuso Dalton, se hizo necesario reformular su

teora o modelo atmico y se inici una historia de reconceptualizaciones y

elaboraciones de nuevos modelos, como se analizar a continuacin.

Antes de entrar a desarrollar el propsito de esta descripcin terica e histrica de

los modelos atmicos, se considera necesario discurrir entorno al propsito de este

trabajo y lo que se interpreta tanto por modelo en las ciencias experimentales como

por historia interna de acuerdo al anlisis de este contexto de conocimiento.

34

De esta manera, dado que se hablar de modelo, es muy significativo referirse a

autores como T. S. Kuhn (1962), I. Lakatos (1983) y A. Badiou (1972) (Citados en

Cuellar y Uribe, 2008), quienes han discurrido a la categora epistemolgica de

modelo, tanto en ciencias experimentales como en matemticas. A. Badiou, cita a

Gaston Bachelard, quien especifica que: el modelo planetario de Bohr solo hizo

entrega de una imagen til del tomo, en la poca que la microfsica acompaaba la

borradura de sus orbitas y, finalmente la renuncia de esa imagen, en beneficio de un

modelo estadstico. Quien no saba renunciar al modelo, renunciaba al saber: toda

detencin en un modelo conforma un obstculo epistemolgico hasta qu punto el

modelo permanece al margen de la produccin de conocimiento? con todo, en ese

lugar no es recusable, no presenta si quiera un problema. No obstante, teniendo en

cuenta la cita hecha sobre lo afirmado por Bachelard, se puede retomar a la

concepcin de N. R. Hanson (1977), para quien un modelo es una estructura

conceptual que sugiere un marco de ideas para un conjunto de descripciones que de

otra manera no seran sistematizables. Tal marco une las dos descripciones

mediante lazos inferenciales.

En cuanto a la historia interna del desarrollo cientfico, retomando a I. Lakatos (1983),

se dirige al anlisis de las razones por las cuales una teora o modelo fue propuesto,

de la teora o modelo que sustituy, de la lgica interna de su estructura conceptual y

metodolgica; de los problemas que el anterior resolvi, de aquellos de los que no

pudo dar cuenta y que crearon la necesidad del sustituto, como tambin de por qu

el sustituto dio paso luego al otro.

4.2.1 Thomson y el Pudin de Pasas: Descubriendo la Estructura y Dinmica de

los tomos

Para entrar a caracterizar el modelo atmico de Thomson, precursor del modelo de

Rutherford, se hace necesario mencionar las experiencias de Faraday con la

electrolisis, alrededor de 1830, que hicieron pensar la posibilidad de que el tomo no

fuera indivisible y que la materia estuviera conformada por partculas con carga

elctrica, ms adelante, a partir de 1870, Crookes determin que cada gas daba en

el espectroscopio un espectro propio, que deba ser consecuencia de cierta

organizacin interior, que reforzaba la posibilidad de que el tomo se pudiera dividir,

una vez descubiertos los rayos catdicos y conocidas sus propiedades, como son

que no dependen del tipo de gas encerrado en el tubo, que se desvan hacia el polo

positivo cuando se someten a la accin de un campo elctrico o magntico; que

provoca la aparicin de sombras y pone al rojo una barra trmica interpuesta en su

camino, y que la relacin carga/masa no depende del gas J. J. Thomson identific

esas partculas subatmicas; ms adelante las llam electrones (Thomson; 1906,

Citado en Cuellar y Uribe, 2008).

35

El descubrimiento de la radiactividad en 1896, por H. Becquerel, y la observacin de

que la emisin espontnea de radiaciones apareca tanto cuando estaba aislado el

elemento como cuando estaba formando un compuesto, hizo pensar que provena

del interior del tomo y no de su parte externa, ya que no se acababan luego de una

reaccin qumica. Madame Curie, haba observado, antes de obtener el radio y el

polonio, que el tomo tenia la radiactividad como una propiedad intrnseca, y esto fue

la clave para desarrollar la estructura atmica. En 1899 Ernest Rutherford public un

artculo en el cual describa sus investigaciones sobre los nuevos rayos descubiertos

por Becquerel y de los cuales observaba que no eran todos del mismo tipo; unos,

que llam rayos alfa que eran muy absorbidos rpidamente por la materia y otros, a

los que llam beta, con un poder de penetracin muy superior a los de los alfa.

(Rutherford, 1899, Citado en Cuellar y Uribe, 2008), Becquerel utiliz campos

magnticos, igual que lo haba hecho Thomson para estudiar los rayos catdicos, y

demostr que los rayos beta tambin se deflectaban con el campo magntico y que

posean la misma relacin carga-masa de los electrones, llegando as a la conclusin

de que los rayos beta, estaban constituidos por electrones.

Aun no se saba que eran los rayos alfa, aunque pareca que no eran afectados por

el campo magntico de mayor intensidad con el cual logr la deflexin y determin

que su carga era positiva. Explic que su velocidad era muy grande y que su masa

muy superior a la de los electrones, motivos por los cuales era difcil desviarlos con

campos magnticos de baja intensidad. Con experimentos posteriores, Rutherford y

varios colaboradores demostraron que las partculas alfa eran ncleos de tomos de

helio con dos cargas elctricas positivas (Rutherford, 1909, Citado en Cuellar y Uribe,

2008), ms tarde, se descubri que el radio emita otro tipo de rayos (diferentes de

los alfa y beta) que o eran desviados por fuerzas magnticas, lo que llevo a suponer

que no tenan carga, a los que llamaron gamma.

4.2.2 Acerca de la Historia Interna de los tomos

J. J. Thomson (1904), lanz su primera hiptesis sobre la estructura interna de los

tomos: el tomo estaba constituido por corpsculos con carga elctrica negativa

uniformemente distribuidos en una esfera difusa de electricidad positiva, lo que

explicaba su neutralidad elctrica. La distribucin de los corpsculos dentro del

tomo fue analizada matemticamente, encontrando Thomson que lo ms probable

es que estuvieran dispuestos como anillos concntricos dentro del tomo y calculo su

nmero ms probable en cada uno. El inters de Thomson, en apoyo de su modelo

atmico, fue mostrar que las propiedades del tomo, por su estructura de anillos,

eran similares en muchos aspectos a las que se le adjudicaban a los elementos

qumicos y que, en particular, dependan de su peso atmico de manera anloga a lo

36

que expresaba la ley peridica, con lo cual lanza entonces el denominado modelo

del pudn con pasas, en el que el tomo estaba constituido por partculas de carga

elctrica negativa, uniformemente distribuidas en una esfera difusa de electricidad

positiva (Thomson, 1904, Citado en Cuellar y Uribe, 2008). Desde este modelo se

dise el famoso experimento de la dispersin de partculas alfa.

H.Geiger y E. Marsden (1909) idearon un experimento en que hicieron incidir

partculas alfa sobre laminas metlicas lo suficientemente finas como para que fuese

mxima la probabilidad de que las partculas solo fueran dispersadas por un nico

tomo durante el tiempo que tardaban en atravesar la lamina. Se esperaba, de

acuerdo con el modelo de Thomson, que las partculas alfa, por ser de alta energa y

de gran masa, solo sufrieran muy leves desviaciones al atravesar el tomo; pero se

sorprendieron al observar que varias partculas golpearon la lamina y se volvieron

atrs.

4.2.3 El Modelo Atmico de Rutherford: Un Sistema Planetario de Electrones,

Orbitas y Ncleos Atmicos.

Rutherfod analizo el resultado del experimento anterior y llego a la conclusin de que

la dispersin hacia atrs deba ser consecuencia de una nica colisin. Hizo clculos

y comprendi que era imposible que esto ocurriera, a menos que se pensara que los

tomos tuvieran toda su masa concentrada en un diminuto ncleo. En ese momento

tuvo la idea de un tomo diminuto de gran masa y portador de carga positiva,

rodeado por electrones con masa despreciable comparada con la del ncleo y en

nmero suficiente para neutralizar la carga del ncleo (Rutherford, 1911, Citado en

Cuellar y Uribe, 2008). El tomo de Thomson no sera capaz de desviar el proyectil

en un ngulo tan grande como los observados por Geirsen y Marsden. El modelo

atmico de Rutherford le permiti calcular el nmero de partculas alfa que deban

ser desviadas en ngulos grandes por la lamina de oro, coincidiendo este nmero

con los resultados de Geirsen y Marsden.

Es interesante destacar como un experimento diseado para comprobar una teora,

mostr inconsistencias en ella y gener su formulacin, permitiendo explicaciones

que no se hubieran logrado desde la teora anterior. Mantuvo de ella la neutralidad

del tomo, y propuso una nueva distribucin de partculas subatmicas. Los datos de

la dispersin de las partculas alfa previamente dados por Geiger se dedujo que el

valor de la carga nuclear era igual a cerca de la mitad del peso atmico multiplicado

por la carga electrnica. Los experimentos fueron empezados por Geiger y Marsden

para probar la teora (Geiger y Marsden, 1913). El mtodo experimental general

empleado por ellos consisti en permitir que un estrecho rayo de partculas cayera

37

normalmente sobre una delgada capa de material y observar, por el mtodo de

centelleo, su dispersin a travs de diferentes ngulos.

El conteo de muchos cientos de partculas fue un trabajo muy difcil y laborioso. Ellos

encontraron que sus resultados eran muy acordes con la teora. Cuando el espesor

de la pelcula era muy pequeo, la deflexin era directamente proporcional al

espesor y variaba inversamente con la cuarta potencia de la velocidad de las

partculas alfa incidentes. Se hizo un estudio especial sobre el nmero de partculas

que se dispersaban en ngulos que variaban entre los 5 y los 150 grados. Aunque

sobre este intervalo el nmero disminua en la relacin 200000 a 1, la relacin entre

el nmero y el ngulo coincida con la teora dentro del lmite de error experimental.

Geiger y Marsden encontraron que la deflexin en tomos de materiales diferentes

era aproximadamente proporcional al cuadrado del peso atmico, mostrando que la

carga sobre el ncleo estaba cercanamente proporcional al peso atmico. Por

determinacin del nmero de partculas alfa deflectadas desde pelculas delgadas de

oro, ellos concluyeron que la carga del ncleo era igual a cerca de la mitad del peso

atmico multiplicado por la carga electrnica. Teniendo en cuenta las dificultades de

este experimento, el nmero actual puede no ser considerado correcto en ms de un

20%. Los resultados de Geiger y Marsden estuvieron as en completo acuerdo con

las predicciones derivables del modelo de Rutherford.

Rutherford, luego de comparar los resultados experimentales desde su modelo,

corrobor que el tomo consista de un ncleo de pequesimas dimensiones de

carga positiva en el que adems se encuentra casi toda la masa del tomo, rodeado

por una distribucin de electrones, con carga negativa, que hacen que el tomo sea

neutro, extendidos a distancias del ncleo comparables con los radios aceptados del

tomo. Las deflexiones grandes de las partculas alfa y beta eran debidas al paso de

ellas a travs del campo de fuerza central; que estas deflexiones no podran ocurrir

por el modelo de tomo creado por J. J. Thomson, a menos que el dimetro de la

esfera que representaba cada tomo fuera excesivamente pequea (Rutherford,

1911, Citado en Cuellar y Uribe, 2008)

4.2.4 Problemas que Present el modelo de Rutherford

El centro de inters de todo el grupo de Manchester era continuar en todas las

direcciones posibles a partir de la postulacin de la existencia del ncleo atmico.

Recin llegado N. Bohr al laboratorio de Manchester en 1912, se intereso por las

implicaciones del ncleo atmico y la distribucin de electrones ligados a este en las

propiedades fsicas y qumicas de diferentes sustancias. Vea claro que las

desintegraciones radiactivas se explicaban estudiando la constitucin del ncleo,

mientras que las caractersticas ordinarias fsicas y qumicas, de los elementos se

38

deban a propiedades del sistema electrnico exterior, incluso, ya se admita que a

casusa de la gran masa del ncleo y a su pequeo tamao comparado con el del

tomo, la constitucin del sistema electrnico dependa de la carga total del ncleo.

Esto llevo a la idea de un nmero atmico que, siendo un nmero entero, deba

expresar la carga nuclear como un mltiplo de una unidad elemental de electricidad.

En 1912 no haban empezado a trabajar ellos con las propiedades fsicas y qumicas

de los elementos, basadas en el modelo atmico de Rutherford. Sin embargo, era

evidente que la estabilidad de los sistemas atmicos se contradeca con los

fundamentos clsicos de la mecnica y electrodinmica. Segn la mecnica

newtoniana, ningn sistema de cargas puntuales admite un equilibrio esttico

estable, y de acuerdo con la electrodinmica de Maxwell, cualquier movimiento de

los electrones alrededor del ncleo debera dar lugar a una disipacin de energa en

forma de radiacin, acompaada de una continua contraccin del sistema, por lo que

los electrones terminaran en el ncleo.

La formulacin del cuanto universal de M. Planck (1900) mostr una limitacin de las

teoras fsicas clsicas A. Haas, en 1910 , haba intentado fijar las dimensiones y

periodos de los movimientos de los electrones por medio de la ecuacin de Planck

entre energa y frecuencia de un oscilador armnico, sobre la base del modelo

atmico de Thomson. En 1912, J. Nicholson utiliz momentos angulares cuantizados

para explicar unas rayas que observaron en espectros de nebulosas estelares y N.

Bjerrum, en el mismo ao, dio el primer paso para explicar los espectros moleculares

mediante la ley general de combinacin espectral. En este momento, ya Bohr estaba

convencido de que la constitucin electrnica del tomo de Rutherfod estaba

gobernada por el cuanto de accin. Esto explicaba por qu la ecuacin de Planck se

poda aplicar a los electrones menos fuertemente unidos, los implicados en las

propiedades qumicas y pticas de los elementos, y adems se presentaban

relaciones anlogas para los electrones firmemente unidos al tomo. C. B. Barkla

haba detectado produccin de radiacin al bombardear con electrones tomos de

diferentes elementos y, ms tarde en Cambridge, Widdington tomo medidas de la

energa necesaria para lograr esa radiacin; sus resultados fueron acordes con lo

esperado partiendo de una estimacin de la mxima energa de un electrn que gira

en una rbita de Planck alrededor de un ncleo con una carga dada por el numero

atmico. William Bronw, estudi los resultados de Widdington y fue totalmente

consciente de que estaban muy conectadas la radiacin de Barkla y la ordenacin de

los elementos en la tabla de D. I. Mendeleiev. La explicacin completa la dio luego,

H.J Moseley con sus trabajos en Manchester (Bohr, 1913, Citado en Cuellar y Uribe,

2008).

39

Bohr estuvo investigando tericamente sobre el frenado de los rayos alfa y beta por

los materiales, estudiado anteriormente por J. J. Thomson a partir de su propio

modelo y por otros trabajos basados en el modelo de Rutherford, y se le ocurri que

la transferencia de energa desde las partculas a los electrones se podra tratar por

analoga con la dispersin y absorcin de radiaciones. Continuo trabajando en el

papel del cuanto de accin en la constitucin electrnica del tomo de Rutherford,

explicando con l problemas de uniones moleculares y efectos radioactivos y

magnticos. pero la ecuacin de la estabilidad atmica exiga una base ms firme

para su explicacin. las leyes simples que gobiernan los espectros pticos de los

elementos le ofrecieron la clave para ir en busca de la explicacin de la estabilidad

atmica basndose en el tomo de Rutherford. H. A. Rowland y otros hicieron

mediciones precisas de las longitudes de onda de las rayas espectrales; Balmer y

Schuster realizaron contribuciones en este campo y, finalmente, Rydberg propuso

una aclaracin de las leyes espectrales generales muy ingeniosa. Segn l, la

frecuencia (v) de cada raya del espectro de un elemento dado se podra representar